Christopher Williams, Gauss Center for Supercomputing

Gaby Clark tərəfindən redaktə edilmişdir , Andrew Zinin tərəfindən nəzərdən keçirilmişdir

 Redaktorların qeydləriTurbulent axının inkişafının müəyyən bir nöqtəsindən sonra – məsələn, uçuş zamanı hava qanad üzərində hərəkət edərkən – turbulent sərhəd qatının xarici bölgəsi (mavi rəngin üstünlük təşkil etdiyi yer) davamlı, özünə bənzər fiziki quruluşu saxlayır. Kredit: IAG, Stuttgart Universiteti

Ştutqart Universitetinin Aerodinamika və Qaz Dinamikası İnstitutunun (IAG) alimləri turbulentlik modellərinin inkişafını təkmilləşdirəcək yeni məlumat toplusu hazırlayıblar. Ştutqart Yüksək Performanslı Hesablama Mərkəzində (HLRS) Hawk superkompüterinin köməyi ilə doktor Kristof Venzelin laboratoriyasının müstəntiqləri məkanda təkamül edən turbulent sərhəd qatının irimiqyaslı birbaşa ədədi simulyasiyasını aparıblar.

Hawk-da 100 milyondan çox CPU saatından istifadə edərək, simulyasiya unikaldır ki, o, bir hesablama sahəsində kanonik, tam inkişaf etmiş turbulent vəziyyətin başlanğıcını çəkir. Tədqiqat eyni zamanda misli görünməmiş bir aydınlıqla turbulent sərhəd təbəqəsinin xarici bölgəsinin yüksək Reynolds ədədlərinə doğru hərəkət edərkən özünə bənzər quruluşu saxlamağa başladığı bir əyilmə nöqtəsini müəyyən etdi. Nəticələr Journal of Fluid Mechanics -də dərc olunan yeni məqalədə görünür .

“Komandamızın məqsədi turbulent sərhəd laylarında tədqiq edilməmiş parametr rejimlərini başa düşməkdir”, – deyə fəlsəfə doktoru Ceyson Appelbaum bildirib. Wenzel Laboratoriyasında namizəd və bu tədqiqatın rəhbəri. “Turbulentliyin bütün inkişafını erkən mərhələdən təkamül vəziyyətinə qədər tam həll edən geniş miqyaslı simulyasiya işlətməklə, yüksək Reynolds-saylı təsirlərin necə ortaya çıxdığını araşdırmaq üçün ilk etibarlı, tam ayırdetmə məlumat dəstini yaratdıq.”

Orta Reynolds nömrələrini öyrənmək niyə çətindir?

Uçuş zamanı turbulentlik təyyarənin səthində çox yüksək kəsmə gərginliyinə səbəb olur. Yaranan sürüklənmə uçuş performansını və yanacaq səmərəliliyini azalda bilər. Bu effekti proqnozlaşdırmaq üçün aerokosmik mühəndislər turbulent sərhəd qatının hesablama modellərinə, təyyarənin səthinin sərbəst axan hava ilə qarşılıqlı əlaqədə olduğu millimetrlik nazik bölgəyə etibar edirlər.

Sənaye tətbiqləri üçün turbulentlik modellərinin fizikanı ən incə detallara qədər təkrarlamasına ehtiyac yoxdur; onlar yalnız praktik istifadə üçün kifayət qədər dəqiq olmalı və təvazökar hesablama resurslarında rəvan işləməyi bacarmalıdırlar.

Mühəndislər bu cür sadələşdirilmiş modellərdən istifadə etməzdən əvvəl, onların əsaslandığı məlumatları təmin etmək üçün yüksək performanslı hesablama sistemlərindən istifadə etməklə elmi tədqiqatlar aparmaq lazımdır. Məhz buna görə də Wenzel Laboratoriyası çox yüksək rezolyusiyada turbulent sərhəd təbəqələrinin fundamental fiziki xassələrini araşdırmaq üçün yaratdığı NS3D, birbaşa ədədi simulyasiya proqramını idarə etmək üçün HLRS-in superkompüterlərindən uzun müddət istifadə etmişdir.

Hesablama mayeləri dinamikası (CFD) sahəsində elm adamları turbulent sərhəd qatının inkişaf vəziyyətini xarakterizə etmək üçün Reynolds ədədi adlanan rəqəmdən istifadə edirlər. Reynolds ədədi turbulent burulğan ölçülərinin yerli diapazonunu tənzimləyən maye axınındakı ətalət qüvvələrinin özlü qüvvələrə nisbətidir.

Səthin hava ilə hərəkəti zamanı erkən baş verən aşağı Reynolds ədədlərində turbulentliyə cavabdeh olan qeyri-xətti konvektiv qeyri-sabitliklər kiçik miqyaslarda özlü təsirlə tez bir zamanda azalır. Reynolds sayının artması ilə turbulent sərhəd təbəqəsi qalınlaşır. Böyük, əlaqəli strukturlar meydana çıxır, daha mürəkkəb turbulent sistem yaradır ki, bu, sadəcə aşağı Reynolds nömrələrində tendensiyaların ekstrapolyasiyası deyil, həm də özünəməxsus xüsusiyyətlərinə malikdir.Bu rəqəmin yuxarı hissəsi aşağıdan yüksək Reynolds rəqəmlərinə qədər turbulent sərhəd qatının tam inkişafını əks etdirən IAG komandasının geniş miqyaslı simulyasiyasını əks etdirir. Bir axın səthi boyunca hərəkət etdikcə, turbulent sərhəd qatının xarici bölgəsi qalınlaşır. Müəyyən bir nöqtədən kənarda, oxşar fiziki xüsusiyyətləri saxlayır. Kredit: IAG, Stuttgart Universiteti

Keçmişdə, CFD simulyasiyaları aşağı Reynolds nömrələrində turbulentliyi anlamaq üçün zəngin məlumat dəstləri yaratmışdır. Bunun səbəbi, hesablama sahəsinin ölçüsünün və bu mərhələdə iştirak edən lazımi sayda simulyasiya vaxtı addımlarının hələ də nisbətən kiçik olmasıdır. Bugünkü standartlara görə, bu o deməkdir ki, simulyasiyalar çox bahalı deyil.

Laboratoriya təcrübələri də turbulentlik tədqiqatları üçün əvəzsiz məlumatlar verir. Bununla belə, bu tədqiqata aid olan kəmiyyətlər üçün fiziki məhdudiyyətlər səbəbindən yalnız yüksək Reynolds say rejiminə diqqət yetirmişlər. Sensorlar yalnız o qədər kiçik emal edilə bilər və kəsmə gərginliyi kimi bəzi fundamental fiziki kəmiyyətləri laboratoriyada yüksək dəqiqliklə ölçmək çox çətindir.

Nəticədə, elm adamları aşağı Reynolds nömrələri üçün çoxlu simulyasiya məlumatları və yüksək Reynolds nömrələri üçün etibarlı eksperimental məlumatlar topladılar. Həm simulyasiya, həm də eksperimental üsullar məhdud istifadəyə malik olduğundan, çatışmayan şey, aralarında baş verənlərin aydın mənzərəsidir. Appelbaum və onun Wenzel Laboratoriyasındakı əməkdaşları bu problemə birbaşa hücum etmək üçün yola çıxdılar.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, yeniliklər və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniləmələr əldə edin .

Kəskin dönüş

HLRS-in Hawk superkompüterindən istifadə edərək, Appelbaum bir sıra simulyasiyalar həyata keçirdi ki, nəticələr bir-birinə birləşdirildikdə, turbulent sərhəd qatının bütün təkamülünü aşağıdan yüksək Reynolds nömrələrinə qədər təkrarlayır. Simulyasiyanın təqdim etdiyi “real həyat” vəziyyəti son dərəcə kiçik görünsə də (Mach 2-də təxminən 20 millisaniyəlik səyahət) kampaniya böyük miqyaslı hesablama gücü tələb edirdi.

Komanda Hawk-da 1024 hesablama qovşağından (130.000-dən çox nüvə) istifadə etdi – bütün maşının dörddə biri – hər biri 4-5 saat davam edən yüzlərlə qısa qaçış üçün. Ümumilikdə, simulyasiya üçün kompüterin 30 gündən çox işləmə müddəti tələb olunur.

Appelbaum, “Əksər tədqiqat qrupları belə bir problemə bu qədər hesablama vaxtı sərf etmək riskini götürməz və bunun əvəzinə o qədər də bahalı olmayan digər maraqlı tədqiqat problemlərinə baxa bilər” dedi. “Tədqiqatda uzun müddətdir davam edən boşluğu araşdırmaq üçün bütün yumurtalarımızı bu bir səbətə qoyan qəribələrik.”

İnvestisiya öz bəhrəsini verdi. Geniş miqyaslı simulyasiyada tədqiqatçılar (digər amillərlə yanaşı) dərinin sürtünmə əmsalına, axının sərbəst impulsu ilə müqayisədə hərəkət edən mayenin bərk səthində kəsilmə gərginliyi arasındakı nisbəti təmsil edən dəyərə diqqət yetirdilər. Bu, orta sürət profilinin formasını təsvir edən əsas parametrdir və özlü sürtünmənin müəyyən edilməsində əsasdır.

Appelbaum, aşağı və yüksək Reynolds nömrələri üçün əvvəllər ayrı-ayrı verilənlər dəstlərinin necə birləşdiyini göstərmək üçün simulyasiyanın nəticələrindən istifadə etdi. Keçmiş tədqiqatlar yalnız interpolyasiya yolu ilə verilənlər toplusunun necə kəsişəcəyini təxmin edə bildiyi halda, IAG komandasının nəticələri kəskin dönüş aşkar edir.Keçmiş tədqiqatlar aşağı və yüksək Reynolds ədədlərində dəri fraksiya əmsalını (c _f ) əks etdirən məlumatlar istehsal etsə də, HLRS-in Hawk superkompüterində ilk dəfə genişmiqyaslı simulyasiya, əsas dəyişikliyin baş verdiyi orta Reynolds ədədlərində xüsusi bir dövrü aşkar etdi. Kredit: IAG, Stuttgart Universiteti

Xüsusilə, onlar sərhəd qatının xarici 90% -də tam inkişaf etmiş bir vəziyyətin qurulması ilə əlaqəli olan dəri sürtünmə miqyasında bir dəyişiklik müəyyən etdilər. Bu özünə bənzəyən vəziyyət turbulent sərhəd qatının inkişafında bir mərhələdir və miqyaslı davranışın sənaye baxımından uyğun Reynolds rəqəmlərinə çevrildiyi üçün proqnozlaşdırıla bilən şəkildə davam etdiyini göstərir.

Appelbaum izah etdi: “Özünə bənzərliyi başa düşmək üçün fotoşəkilin aspekt nisbəti haqqında düşünməyə kömək edir”. “Əgər tərəflərin uzunluqlarının 1:2 nisbətində olduğu düzbucaqlı şəklim varsa, şəklin mənim əlim ölçüsündə olmasının və ya avtobusun ölçüsünə miqyasının fərqi yoxdur. Şəkildəki elementlər arasındakı əlaqələr, nə qədər böyük olmasından asılı olmayaraq, öz-özünə oxşar olaraq qalır. Bizim işimiz təsdiqləyir ki, turbulent təbəqənin xarici bölgəsi bir dəfə özünəməxsus sərhədlərə çatır. Reynolds nömrəsi.

“Əhəmiyyətli odur ki, bu vəziyyət dərinin sürtünmə əmsalının miqyaslı davranışının dəyişməsi ilə birləşir ki, bu təcrübələr aerokosmik tətbiqlərdə çox yüksək Reynolds rəqəmləri görünənə qədər qüvvədə qaldığını göstərdi. Bu, bizə bu son turbulentlik rejimində turbulent davranışın erkən, lakin real görünməsinə imkan verir.”

Artan performans tədqiqat və mühəndislik üçün yeni imkanlar təqdim edir

Bu yeni verilənlər bazası hesablama mayeləri dinamikası cəmiyyətindəki tədqiqatçılara mülayim Reynolds nömrələrində turbulent sərhəd qatlarını araşdırmaq imkanı verəcək unikal resurs təklif edir. Wenzel Laboratoriyası üçün növbəti addım müəyyən etdikləri əyilmə nöqtəsinin arxasındakı fizikaya daha dərindən dalmaq olacaq. Appelbaum deyir ki, komandanın artıq bununla bağlı bəzi fikirləri var və tezliklə növbəti məqalə dərc etməyi planlaşdırır.

Wenzel Laboratoriyasında davam edən digər işlərdə elm adamları NS3D kodunu HLRS-in ən yeni superkompüteri Hunter-də GPU-lara köçürməklə məşğul olublar. HLRS və hesablama prosessoru istehsalçısı AMD-də istifadəçi dəstəyi işçilərinin köməyi ilə onlar artıq yeni, GPU-sürətləndirilmiş sistemdən istifadə edərək kodun fiziki cəhətdən dəqiq və performanslı qaldığını təsdiqləyiblər. Önümüzdəki aylarda onlar NS3D-ni optimallaşdıraraq onun Hunter-in təklif etdiyi artan performansdan tam istifadə etməsini təmin edəcəklər.

Appelbaum, “Biz daha yüksək turbulent vəziyyətlərdə daha böyük domenləri simulyasiya edə biləcəyimizi gözləyirik” dedi. “Daha çox hesablama performansı eyni vaxtda iki və ya daha çox parametrin miqyaslı davranışını araşdırmaq üçün bir neçə simulyasiya apara biləcəyimiz tədqiqatların aparılmasını daha məqsədəuyğun edəcək.”

Bu gələcəyə işarə edən işdə, Wenzel Laboratoriyasının üzvü və bu işin həmmüəllifi Tobias Gibis bu yaxınlarda dissertasiyasını müdafiə etdi, burada turbulent sərhəd təbəqələrində istilik ötürülməsi və təzyiq qradiyentlərinin miqyaslı davranışını birləşdirdi.

Appelbaum əlavə etdi, “Kristof və Tobiasın Reynolds say effektlərini daxil etmək üçün istilik köçürməsi və təzyiq qradiyentlərinin təsiri ilə bağlı transformativ işinə əsaslanaraq, şübhəsiz ki, çox yüksək elmi dəyərə malik olardı. HLRS-dən gələn dəstək və resurslar bu cür ağır hesablama işlərinin əsasını təşkil edir.”

Bu vaxt, komandanın orta Reynolds nömrələrindəki məlumat dəsti divarla məhdudlaşan turbulent axın məlumatlarının bir hovuzuna töhfə verəcək və daha əhatəli, daha dəqiq turbulentlik modellərinin inkişafına kömək edə bilər. Bu, mühəndislərə daha geniş əməliyyat şəraiti üçün təyyarə konstruksiyalarını optimallaşdırmaq və səmərəliliyi turbulent sərhəd təbəqələrində təsirlərin idarə edilməsindən asılı olan ventilyatorlar və ya avtomobillər kimi digər maşın növlərini təkmilləşdirmək üçün yeni imkanlar verəcək.

Daha çox məlumat: Jason Appelbaum və digərləri, Turbulent sərhəd təbəqələrində xarici təbəqənin özünə bənzərliyinin başlanğıcı, Maye Mexanikasının Jurnalı (2025). DOI: 10.1017/jfm.2025.10363

Jurnal məlumatı: Maye Mexanikasının Jurnalı 

Gauss Supercomputing Mərkəzi tərəfindən təmin edilmişdir